矿井智能化永磁变频运输绞车的设计研究_乔磊明.pdf

61矿井智能化永磁变频运输绞车的设计研究乔磊明（开滦（集团）有限责任公司，河北 唐山 063000）摘 要：煤矿井下运输绞车承担着材料设备的运输功能，运输绞车尤其是斜巷使用的运输绞车能否安全运行，不仅直接影响矿井的生产，更与矿山安全息息相关。本文设计的智能化永磁变频运输绞车，以永磁变频系统（PVD）技术为核心，永磁同步电机、变频器及矿用防爆提升机智能电控装置为硬件基础，集成了无线视频监控及防人员误入系统，具有智能化、安全可靠、结构紧凑、传动效率高、噪音低、使用寿命长等诸多优点，广泛适用于矿山的各种工作环境。关键词：智能；永磁变频；矿山；运输绞车中图分类号：TD29-A1 文献标识码：A 文章编号：1671-3974（2023）01-0061-04Design and Research of Mine Intelligent Permanent Magnet Frequency Conversion Transport WinchQiao Leiming(Kailuan(Group)Co.,Ltd.,Tangshan 063000,China)Abstract:The underground transport winch of coal mine undertakes the transport function of materials and equipment.The safe operation of transport winch,especially the transport winch used in inclined roadway,not only directly affects the mine production,but also is closely related to mine safety.The intelligent permanent magnet frequency conversion transport winch designed in this paper takes the permanent magnet frequency conversion system(PVD)technology as the core,the permanent magnet synchronous motor,the frequency converter and the explosion-proof intelligent electric control device for mining as the hardware basis,integrates the wireless video monitoring and anti-personnel error system,has many advantages,such as intelligent,safe and reliable,compact structure,high transmission efficiency,low noise,long service life and so on.It is widely used in various working environments of mines.Key words:intelligence;permanent magnet frequency conversion;mine;transport winch一、引言煤矿斜巷运输主要作用是运送物料。根据煤矿事故分析，煤矿容易发生斜井断绳跑车造成人员生命、设备财产损失的事故，其主要原因是由于斜巷安全措施不到位、绞车技术水平落后、斜巷上下信号联系不到位以及保护措施少等。斜巷提升运输由绞车司机、上下坡头信号把钩工协作完成，绞车、信号、道岔操作均由人力操作完成，可能出现协作不畅或者违章操作而引发事故。变频调速因具有无级调速、节约电能、起动时对电网冲击小等优点，在矿山中得到广泛应用。为提高矿井斜巷运输效率，迎来了破题之机。本文设计的智能化永磁变频运输绞车采用永磁变频系统（PVD），以永磁变频技术为核心，永磁同步电机、变频器及矿用防爆提升机智能电控装置为硬件基础集成了无线视频监控及人员误入系统，取消了减速器，采用变频器控制运行，增加了智能控制及保护系统，具有结构紧凑，安全性高、传动效率高、噪音低、使用寿命长、安装方便等诸多优点。二、智能化永磁变频运输绞车的优势智能化永磁变频运输绞车由矿用隔爆型三相永磁同步变频电动机、联轴器、齿轮轴装置、过桥齿轮装置、卷筒装置、防护罩、液压盘式制动器、冗余式恒力矩双系统、双输出液压站、深度指示器、底座、矿用隔爆兼本质安全型交流变频器、矿用防爆提升机电控装收稿日期:2022-12-1作者简介:乔磊明（1970-），男，硕士研究生，开滦（集团）有限责任公司设备管理中心电气高级工程师，研究方向：机电工程。河北能源职业技术学院学报Journal of Hebei Energy College of Vocation and Technology 第 1 期（总90 期）2023 年 3 月No.1（Sum.90）Mar.202362置、无线 WiFi 视频监控系统、语音报警器、人员近防系统（电子围栏）、挡车器闭锁功能等组成。相比传统结构具有如下优势：（1）高效节能，节电率 10%以上首先永磁同步电机的永磁转子，无转子铜耗，效率 95%，比传统异步电机高出 10%-15%；其次，永磁同步电机效率和功率因数曲线平直，在负载 20%-120%范围均保持高效率和高效率因数；智能化永磁变频运输绞车 PVD 系统效率 92%，高出传统系统 10%左右，可节省大量电能。（2）系统免维护，省心省力智能化永磁变频运输绞车低速驱动，简化传动链，其电机直接驱动工作机构，无需减速器，智能化永磁变频运输绞车的电机低速大扭矩，振动小，噪音低（80dBA）；并且本文提出的智能化永磁变频运输绞车彻底解决减速器齿轮损坏、漏油、环境差的难题，具有变频控制，调控灵活等特点。由于采用的末端制动，绞车在使用中制动安全性更高，杜绝因为断轴等故障造成跑车现象，具有制动灵敏，安全可靠，使用寿命长的优点。制动方式为双制动，电机端液压制动与末级液压盘式制动器制动，空动时间 0.3s,操作方式为按钮式操作台操作。液压制动器与末级液压盘式制动器均由同一个液压站提供压力，采用电磁阀控制，实现了在制动时同步制动，避免了因制动不同步造成对机械设备或者电机的伤害。三、智能化永磁变频运输绞车的具体设计方案（一）智能化永磁变频运输绞车组成（1）冗余式恒力矩双系统、双输出液压站液压站加装有压力及温度保护装置，液压站具有双电机双泵带电液比例调压，双输出供油带机械回油紧急制动系统。液压站全部为板式集成块结构，控制阀外装。满足煤安规程中“安全制动必须有并联冗余的回油通道”规定。液压站是由单油箱上装有两套独立的液压系统组成，如果在运行过程中出现故障，可以在不停机的情况下，轻松切换另一套运行。大大的减少了停机时间。液压站使用了先进的电液比例控制技术和优质的液压元件、液压辅件，经过合理的设计，使液压站拥有更良好的使用性、高效的运行可靠性和方便的维护保养性。（2）矿用防爆绞车电控装置电控装置采用 PLC 可编程控制器集中处理各种控制信号，系统满足行程和速度检测范围，检测精度不低于 0.1m，并具有下列显示形式：a）数字式显示表显示；b）人机界面数字、模拟图形（如棒图、状态图）显示。超速保护功能，提升车辆在运行中有下列情况之一时系统能发生保护控制信号,并伴有声光报警并实现安全制动(二级制动)或紧急制动(一级制动)。当绞车超过正常停车位置 0.5m 时能发出保护控制信号，并伴有声光报警和实现紧急制动（一级制动）。系统断电时，之前的设置参数和提升容器的位置、状态等能被存储，恢复供电时，所存储的内容能被自动恢复。绞车能分别在手动、检修、半自动、自动方式下运行。在手动或检修方式下运行时，由制动手把和主令手把来控制闸和速度给定，在检修方式下速度为0.5 米以内可调；在自动方式下运行时，闸和速度给定是自动控制的，在安全回路正常时打点信号和方向记忆相符，只需向前或向后推动调速手柄绞车即按预先设定的速度图实现加速、减速、停车、换向。（3）盘式液压制动器采用常闭式设计，安全可靠；特制碟簧施力制动；动作灵敏，闭合时间短；配有开闸限位开关和衬垫磨损极限限位开关，可进行联锁保护和故障显示（采用PLC 控制时）；采用高性能无石棉硬质摩擦衬垫，摩擦系数稳定，不损伤制动盘且对水介质不敏感；合理的密封结构设计和进口名牌密封件，密封效果好，寿命长；安装位置灵活，使用、调整、维护简单。该型制动器使用液压驱动释放，碟形弹簧施力制动，其结构如下图 1 所示。其工作原理如下：当液压站中的压力油通过电磁阀的控制进入制动器油缸，液压油进一步压缩碟簧并同时推动活塞杆带动两制动臂外张,制动力矩消除;当电磁阀失电复位时,液压油在弹簧力的作用下回流至液压站油箱,同时弹簧力经活塞杆通过制动臂施于制动盘上，建立规定的制动力矩。乔磊明，矿井智能化永磁变频运输绞车的设计研究图 1 盘式液压制动器1.锁紧螺母 2.制动臂 3.调整螺母 4.开闸指示开关 5.瓦块随位装置 6.制动器底座 7.液压缸 8.退距均等调整螺栓 9.制动瓦 10.制动盘（4）防掉道装置传感器（矿用本安型磁性开关）探头可方便的固63乔磊明，矿井智能化永磁变频运输绞车的设计研究定在矿车前或后左右轮的内侧且靠近车轮，利用两侧红外照射铁轨中心线方式，来定位检测车辆是否在轨运行，传感器矿用便携式本安微型电池通过安装支架固定在矿车或平板车的平板上，可使用 24 小时，随时更换。当发生矿车掉道时，传感器检测到矿车偏离轨道中心线超过限定尺寸后，发送急停信号，电控设备收到信号后使绞车紧急制动，停止运行。当将矿车挪回到轨道上后，传感器自动恢复到正常工作状态。（5）卷筒装置运输绞车的卷筒装置主要由轴承座、轴承、卷筒、制动盘、大齿圈等部件组成。绞车的卷筒轴承座用螺栓分别固定在两个轴承梁上，轴承均采用双列向心球面轴承，具有寿命长，安装维护方便等优点。盘形制动器制动于滚筒端部的径向制动盘上,通过电气与液压站控制实现松闸、二级制动、工作制动；盘形制动器的制动头成对安装。（6）无线 WiFi 视频监控系统视频采用单对双绞线数字传输，WI-FI通信技术，采用固定与移动视频监控模式，利用远程视频监控系统，绞车操作人员控制绞车时，不仅能通过巷道的无线摄像机看到绞车运行情况，也可以通过梭车上分布的摄像机看见前段轨道情况，能及时发现事故苗头，防患于未然，也能为事故分析提供第一手图像资料。加上辅助的告警系统、无线通信系统的配合，能大大的增加绞车的安全性，提高绞车运行效率。根据生产需求，每套绞车视频监控系统可以通过专线光缆或矿方的工业环网无缝接入，轻松做到地面调度室统一调度、统一监控、统一录像等。视频监控系统的显示屏为 22 寸，并与电控操纵台集成一体。视频监控系统电路原理图如图 2 所示。本系统采用了 ESP8266-01S。内置的 AT 固件包可以让用户使用时更加方便。有几个常用 AT 指令是：AT（测试 AT 是否 OK）、AT+GMR（返回固件版本信息）。本系统用的是 ESP8266-01S 的典型应用方式，只需要四根引脚即可进行通信，分别是GND、VCC、RXD，TXD。本系统所用串口为 USART3，对应引脚为 PB10、PB11，与 WIFI 模块连接是 RX-TX，TX-RX，这样 WIFI 模块才可与主机进行正常通信，连接方式见图 3。（二）智能化永磁变频运输绞车功能设计（1）监控及数据存储功能监控人员可通过隔爆兼本安型录像机在绞车的位置直接监控及数据存储。可以观察到车辆进行过程中车前和车后的情况。可以更方便的指挥现场作业，并且提高了安全性，避免意外事故的发生。系统使用的数字摄像机技术，现场人员可以方便的对绞车的运行情况进行录像，同样也可以方便的对录像信息进行回放等操作。标准的网络协议能够方便的接入环网或者单独的光缆传输至地面监控中心，为决策者提供第一手的视频资料。系统详细功能描述如下：井下及地面图像采集、传输和显示等功能：系统具有手动录像、定时录像、报警录像和动态检测录像等功能，并保持图像信息的原始完整性和实时性，即无论中间过程信息如何传输和处理，应使最后显示的图像与原始场景保持一致，达到MT/T 1112-2011中5.6条表 1 规定的四级图像质量等级。图 2 视频监控系统电路原理图实现图 3 WIFI 模块原理图图 4 井下图像采集功能图 5 井下图像数据存储功能64（2）人员近防系统功能由矿用本安型红外传感器发送器、GUG8S 矿用本安型红外传感器接收器、语音报警器组成。是根据煤矿井下各项自动化的要求，针对井下人员流动性大，难管理的特点而设计的。红外传感器采用肉眼不可见的红外线作为媒介，其作用是在矿井巷道的两端分别形成一条不可见的监视线，当行人或车辆由巷道的任一方向进入时，红外传感器接收器接收不到红外传感器发送器发送的红外信号而输出高电平，电子围栏发出报警并发送信号至绞车电控系统制动绞车。红外发射电路如图 6 所示。该电路负责将电信号转换为已调红外光。因为普通 I/O 口无法对红外发射管 TSFF6410进行直接驱动，需要专门对其设计驱动电路，该驱动电路借助高频小功率三极管 8050 搭建，原理图如图 6。图 6 红外发射电路红外接收电路如图 7 所示。该电路负责将红外发射机传送过来的已调红外光信号，转化为电信号。红外接收电路采用一体化红外数据传输模块 TFDU4101 进行设计，采用单 5 伏供电，具有灵敏度高、体积小、功耗低的特点。图 7 红外接收电路四、智能化永磁变频运输绞车的应用本文介绍了永磁变频运输绞车在矿井的实际生产中的优越性：新的传动装置去掉了减速器，从而减少故障环节，且降低了运转时间，减少维修成本，从而提高传动效率。该方式能有效降低电力消耗，提高整体工作的效率。在运转期间，可以保证在转速范围内的恒扭矩性能。即使是在低频、低速甚至低压工况下，电机的扭矩也能达到运送物料要求。更重要的是，该绞车系统参照提升机十大保护，设置了适应斜巷运输的各种保护功能，增加了红外线电子围栏功能，且与煤矿斜井运输自动挡车装置信号联锁，具有高度安全性。该套智能永磁变频运输绞车使用在开滦唐山矿业分公司井下 4070 斜井，投入半年多，未发生过任何安全事故，运输效率比原来传统绞车运输提升 30%，维修投入基本为零。五、结论综上所述，智能永磁变频运输绞车特点是：1）安全可靠性高。智能化控制及完善的各种保护功能有效杜绝了各类事故发生。2）效率高，噪音低，节能，省去了减速器，使振动及噪音大幅下降；其能耗较原有的体系有所下降，且效率得到了显著的改善。3)维修维护费用低。免除因更换、维修减速机等损耗零件的日常维护成本。4)具有较高的转矩。在额定速度下，力矩维持不变，可以改善操作的稳定性。尤其是在低频，低压，低速时，电机能产生充分的扭矩。采用变频调速器的速度调节作用，使运输绞车能够低速启动，在全负荷启动时，其电流不会大于正常工作时的2倍，5)智能化通讯。通过有线及无线通信技术，建立运输巷道数据传输网络，与井下以太环网连接，实现地面上位机对井下运输过程的实时监控、分析、预警。因此智能化永磁变频运输绞车应在未来广泛应用于矿山开采领域。参考文献：乔磊明，矿井智能化永磁变频运输绞车的设计研究李宏强.无极绳绞车在掘进巷道辅助运输中的应用 J.煤,2022,31(07):77-78+100.蒋峰.矿井无极绳绞车辅助运输研究 J.中国石油和化工标准与质量,2022,42(10):88-90.孙琦峥.无极绳绞车运输控制系统优化设计 J.机械管理开发,2022,37(04):227-229.晋波.无级绳绞车在矿井辅助运输系统中的应用 J.矿业装备,2021(03):266-267.翟建财.斜巷运输绞车与跑车防护装置联机控制研究 J.煤,2020,29(10):60-61+67.12345